碳酸鈣原位沉淀法加填對(duì)蔗渣漿光學(xué)性能的改善

該文研究了碳酸鈣原位沉淀法對(duì)漂白蔗渣化學(xué)漿纖維光學(xué)性能改善的效果。結(jié)果表明：（1）碳酸鈣原位沉淀法能顯著提高蔗渣漿抄出來的紙張的光散射系數(shù)，從而在很大程度上改善紙張的不透明度和白度；（2）加填量相同時(shí)，用原位沉淀法得到的漿料光散射系數(shù)明顯高于直接加填漿料的光散射系數(shù)；（3）碳酸鈣原位沉淀法會(huì)使蔗渣漿的強(qiáng)度有一定損失，不過損失的強(qiáng)度大部分可以采用加入強(qiáng)度更高的纖維和原位沉淀后精磨等方法彌補(bǔ)回來；（4）碳酸鈣原位沉淀法對(duì)纖維造成的影響因漿種的不同而不同，如對(duì)闊葉木漿，碳酸鈣原位沉淀法并不會(huì)明顯改善闊葉木漿的光學(xué)性能，也不會(huì)明顯降低闊葉木漿的強(qiáng)度性能。

印度和其他亞洲國家因林產(chǎn)木材供應(yīng)的不充足，甘蔗渣就成為一種非常重要的造紙纖維原材料。蔗渣漿抄造的紙張具有大部分紙種所需的良好成形性、表面平滑度和強(qiáng)度。蔗渣纖維的主要缺點(diǎn)在于其抄出的紙張光散射能力相對(duì)較低，化學(xué)蔗渣漿含量較高的漿料所抄造出的紙張不透明度和松厚度就相對(duì)較低，透印的可能性較大（對(duì)于兩面都需要打印的紙張而言，低的透印度是相當(dāng)重要的）。

提高填料的含量可以改善紙張的不透明度，然而紙張的強(qiáng)度和挺度也會(huì)有一定損失。對(duì)于蔗渣漿而言，強(qiáng)度的損失比光學(xué)性能的改善更為明顯。一些新的研究表明，如將填料顆粒加填到纖維的細(xì)胞腔和/或細(xì)胞壁中，即采用填料的原位沉淀法能改善紙張的某些性能。

填料可以通過3種不同的工藝方法加到紙頁中：（1）直接加填，這是紙廠中最為常用的加填方法；（2）機(jī)械擴(kuò)散，在機(jī)械作用下，填料通過重紋孔擴(kuò)散到纖維的細(xì)胞腔中；（3）原位沉淀法，填料沉積在纖維的細(xì)胞腔和/或細(xì)胞壁上。

本文研究了漂白蔗渣化學(xué)漿纖維采用碳酸鈣原位沉淀法來改善其光學(xué)性能的效果，結(jié)論與早期文獻(xiàn)中的結(jié)論存在一定差異。在灰分含量相同時(shí)，相對(duì)于直接將PCC加填到漿料中，用碳酸鈣原位沉淀法加填的蔗渣漿的光散射系數(shù)有明顯改善，不過強(qiáng)度會(huì)有較大損失，于是研究了采用加入強(qiáng)度更高的纖維以及原位沉淀后精磨等方法來提高其強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用未干燥的未漂白蔗渣漿、闊葉木漿和麥草漿（均為濕漿），以及商品漂白針葉木漿板。用PFI磨將漿料打漿至32°SR，蔗渣漿和闊葉木漿采用碳酸鈣原位沉淀法加填。打好的漿料放入含有碳酸鈉溶液的、容量為3 L的大燒杯中浸泡，同時(shí)用實(shí)驗(yàn)室攪拌器以1 200～1 500 r/min的轉(zhuǎn)速加以攪拌。約20 min后，碳酸鈉已進(jìn)入纖維內(nèi)部，然后加入飽和氫氧化鈣溶液（1.46 g/L）以產(chǎn)生沉淀碳酸鈣。繼續(xù)攪拌20 min。沉淀之后，用自來水和250目篩徹底洗滌漿料直至得到澄清的濾液。

將采用原位沉淀法的蔗渣漿和闊葉木漿以及按不同比例混合的麥草漿和針葉木漿按照標(biāo)準(zhǔn)SCAN C：26用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)成形器抄成定量為60 g/m2的紙張，抄紙器截面為正方形，規(guī)格為165 mm×165 mm。紙張置于光滑表面上自然干燥。手抄片用AKD進(jìn)行內(nèi)部施膠，使其Cobb60值約為22 g/m2。

另外向蔗渣漿和闊葉木漿中直接加入商品級(jí)的PCC作為對(duì)比，同時(shí)加入助留劑。

采用Elerpho分光光度計(jì)（L&W 071型）測量紙張的白度、不透明度、光散射系數(shù)和光吸收系數(shù)。同時(shí)，灰分、定量、厚度、抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐折度和Cobb60值都用相應(yīng)的SCAN法進(jìn)行測量。用掃描電鏡法觀察紙張中PCC的位置。

漿料的物理性能（此處性能指用PFI磨打漿至32°SR所得到標(biāo)準(zhǔn)紙頁的性能）如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙張的掃描電鏡圖

圖1分別為不加填PCC（a）、直接加填PCC（b）和碳酸鈣原位沉淀法加填（c）時(shí)蔗渣漿手抄片的掃描電鏡圖（SEM）。圖1（d）為碳酸鈣原位沉淀法加填纖維的橫截面。

表1 漿料的物理性能

蔗渣漿 闊葉木漿 針葉木漿 麥草漿w（灰分）/%抗張指數(shù)/（N·m·g-1）耐破指數(shù)/（kPa·m2·g-1）撕裂指數(shù)/（mN·m2·g-1）耐折度/次白度/%散射系數(shù)/（m2·kg-1）吸收系數(shù)/（m2·kg-1）0.61 58.9 3.73 3.96 1.39 73.5 21.2 0.52 0.66 65.6 4.73 5.34 1.47 73.0 36.7 0.73 0.35 44.1 5.96 18.5 2.69 74.3 24.0 0.38 1.60 45.5 2.66 3.32 0.62 71.4 25.8 0.62

圖1 蔗渣漿紙張的掃描電鏡顯微圖

圖1表明，采用原位沉淀法時(shí)，大部分碳酸鈣都沉積在纖維細(xì)胞腔或細(xì)胞壁內(nèi)部。對(duì)于直接加填[圖1（b）]，填料顆粒沉積在纖維表面上；對(duì)于原位加填[圖1（c）]，大部分填料顆粒都在纖維內(nèi)部，因?yàn)槎鄶?shù)沉積在纖維表面的顆粒已被洗去。從圖1（d）可以看出，大部分PCC顆粒都在細(xì)胞腔里面。

2.2 填料對(duì)紙頁光學(xué)性能的影響

圖2為PCC加填量對(duì)蔗渣漿手抄片和闊葉木漿手抄片的光散射系數(shù)、白度和不透明度的影響（不透明度是在60 g/m2定量的基礎(chǔ)上用s值、k值以及簡化的Kubelka-Munk方程式計(jì)算得到的。

圖2 碳酸鈣加填量對(duì)紙張光學(xué)性能的影響

由圖2可見，不加填時(shí)蔗渣漿手抄片的光散射系數(shù)明顯低于闊葉木漿手抄片的光散射系數(shù)；直接加填會(huì)使蔗渣漿和闊葉木漿的光散射系數(shù)小幅度增加，而原位沉淀法對(duì)蔗渣漿和闊葉木漿加填時(shí)光散射系數(shù)顯著提升，蔗渣漿更為明顯；當(dāng)灰分高于12%時(shí)，蔗渣漿和闊葉木漿的散射系數(shù)幾乎相同。

用原位沉淀法加填的蔗渣漿紙張的白度和不透明度顯著提升，原因在于光散射系數(shù)大幅度增加。

2.3 填料加填量對(duì)紙張強(qiáng)度的影響

相對(duì)于PCC直接加填的紙張，用碳酸鈣原位沉淀法加填的蔗渣漿和闊葉木漿的強(qiáng)度下降更為明顯。圖3為碳酸鈣加填量對(duì)紙張抗張指數(shù)、耐折度和撕裂指數(shù)的影響。

圖3 碳酸鈣加填量對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

由圖3可見，不論是PCC直接加填或者碳酸鈣原位沉淀法加填，抗張指數(shù)都會(huì)隨碳酸鈣加填量的增加而減小，不過碳酸鈣原位沉淀法降低得更為明顯。耐折度與抗張指數(shù)的趨勢相同；對(duì)2種碳酸鈣加填方法而言，填料用量對(duì)撕裂強(qiáng)度的影響很小。

2.4 碳酸鈣的原位沉淀對(duì)蔗渣漿強(qiáng)度損失的補(bǔ)償

雖然碳酸鈣的原位沉淀法可以賦予蔗渣漿手抄片較好的光學(xué)性能，卻使紙張的強(qiáng)度性能有所降低。為了克服原位沉淀法蔗渣漿抄造的紙張強(qiáng)度下降的問題，對(duì)幾種可能的解決方法進(jìn)行了評(píng)估。在碳酸鈣原位沉淀法中，首先把漿料浸泡在Na2CO3溶液中，再加入Ca（OH）2溶液。即使Ca（OH）2在水中的溶解性很低，仍然認(rèn)為這樣能使大部分CaCO3沉淀進(jìn)入細(xì)胞腔，而不是沉淀在纖維的外表面上。然后用相反的化學(xué)品加入順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即將漿料浸泡在Ca（OH）2溶液中，然后鼓入CO2氣體產(chǎn)生沉淀CaCO3。實(shí)驗(yàn)表明，化學(xué)品的加入順序發(fā)生改變時(shí)，紙張強(qiáng)度和光散射系數(shù)并沒有明顯變化。

2.4.1 原位沉淀法蔗渣漿與其他漿料的混合

在原位加填的蔗渣漿料中加入其他漿料來觀察它們對(duì)強(qiáng)度的作用。在碳酸鈣加填量為18.86%的原位加填蔗渣漿中分別加入針葉木漿、闊葉木漿和麥草漿，圖4為加入這些漿料后紙張強(qiáng)度性能的變化。

圖4 不同漿料以不同比例與碳酸鈣原位加填蔗渣漿混合時(shí)對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

由圖4可見，混合纖維含量較低時(shí)（＜20%），麥草漿對(duì)抗張強(qiáng)度的提升最為顯著，其原因可能是麥草漿半纖維素的含量較高。而長纖維的針葉木漿對(duì)撕裂強(qiáng)度、耐折度和耐破度的提高最為顯著?；旌蠞{料的加入會(huì)降低加填量。如加入20%的混合漿料時(shí)加填量會(huì)由18.86%降至15%。在加填量相同時(shí)，混合漿料抗張強(qiáng)度的改善明顯優(yōu)于原位加填的蔗渣漿?；旌蠞{料導(dǎo)致散射能的降低與加填蔗渣漿中加填量減少時(shí)散射能的降低是一致的。因此可以認(rèn)為，在蔗渣漿中添加任何一種漿料都使強(qiáng)度有明顯改善，且紙張的光學(xué)性能沒有明顯損失。

2.4.2 原位加填蔗渣漿的精磨處理

圖5顯示了碳酸鈣加填量對(duì)原位沉淀加填及精磨的蔗渣漿手抄片強(qiáng)度的影響（此處是通過鼓入CO2氣體進(jìn)行原位加填）。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蔗渣漿經(jīng)碳酸鈣原位加填后游離度有所增加，而打漿度由32°SR左右降到15°SR左右。于是再次精磨原位加填后的漿料到32°SR，并觀察能否挽回由于原位加填而損失的強(qiáng)度。如圖5所示，通過精磨原位加填的蔗渣漿，抗張指數(shù)可達(dá)到直接加填時(shí)的水平，而光散射系數(shù)僅有微小損失。精磨對(duì)漿料的撕裂強(qiáng)度沒有明顯影響。原位沉淀法中漿料游離度的增加可能是因?yàn)樘盍铣恋碓诩?xì)胞壁內(nèi)，致使纖維硬度增加。精磨不僅可以保持纖維的柔韌性，還可使?jié){料在光散射系數(shù)沒有明顯下降的情況下使抗張強(qiáng)度有所回升。

3 結(jié)論

（1）蔗渣漿浸泡在碳酸鈉溶液中后再加入氫氧化鈣溶液產(chǎn)生PCC，可使大部分碳酸鈣顆粒沉積在細(xì)胞腔內(nèi)。

圖5 碳酸鈣加填量對(duì)原位沉淀加填及精磨的蔗渣漿手抄片強(qiáng)度的影響

（2）碳酸鈣在蔗渣漿上的原位加填使光散射系數(shù)顯著增加，其不透明度和白度也有大幅度提升。

（3）加填量相同時(shí)，原位沉淀法加填漿料的光散射系數(shù)明顯高于直接加填漿料的光散射系數(shù)。

（4）碳酸鈣的原位加填使蔗渣漿的強(qiáng)度降低，不過在灰分含量相同的情況下，原位加填強(qiáng)度的降低要低于直接加填時(shí)強(qiáng)度的降低。

（5）原位沉淀法加填蔗渣漿降低的強(qiáng)度可以通過加入其他漿料得以補(bǔ)償，不過光散射系數(shù)會(huì)減小。即加入其他漿種可能使?jié){料的強(qiáng)度和光學(xué)性得以優(yōu)化。

（6）原位沉淀法加填蔗渣漿的強(qiáng)度也可以通過再次精磨得以提升。

（7）碳酸鈣原位沉淀法加填蔗渣漿與加填闊葉木漿的效果是不一樣的。闊葉木漿的碳酸鈣原位沉淀法既沒有明顯改善光學(xué)性能，也沒有使強(qiáng)度明顯降低。

（胡偉婷 編譯）